配电开关柜辅助作业机器人应用研究＊

1 引言

电网的规模越来越大,设备越来越多,单纯依靠增加设备巡视人员的数量和巡视时间的方式对电网设备进行管理和检测显然是不切实际的。另一方面,工作人员对电力设备进行故障检测、带电作业时,存在一定的安全隐患,威胁工作人员的生命安全。在这一背景下,采用智能辅助作业机器人不仅能够大大减少工作人员的工作负担,提高设备检测的精度,也能够减少人工操作,减少电力事故的风险。目前,各种电力巡线机器人已经得到了广泛应用[1,2,3]。

变电站内部空间小,设备多,区域形状复杂,机器人在完成设备操作和故障检测等基本功能的同时,还需要自动避障和自动循迹。另外由于开关柜设备复杂,对于机械臂的操作需要精确定位设备的信息,对机械臂进行精准控制。机器人主要的循迹方式有外部式导引和内部式导引两种[4]。外部式导引包括电磁导引和光学导引。外部引导是在机器人工作环境中安置导向装置,机器人的传感器接收到导向信息后,对信息进行处理,按照导向信息的要求进行移动[5]。内部式导引是在机器人内部存储好工作环境的坐标,在机器人工作时通过机器人的摄像头、红外/激光传感器、超声波传感器等传感器获得环境信息,经过计算机处理后将机器人的位置与存储的地图数据匹配,控制机器人向目标移动[6]。机器人的双目视觉可以精确获得设备的空间位置[7,8,9]。双目视觉是指在同一时间的不同位置观察同一物体时,可以根据不同位置的观察成像获取物体的位置数据,这就是双目视觉技术。在机器人领域,使用两台不同位置的摄像机拍摄物体图像,根据图像的对比分析可以对三维物体进行几何建模。机械臂的动力学分析是根据机械臂受力和运动的角度研究机械臂的位置控制和机械震荡的问题。机械臂的运动学分析一般包括正运动学分析和逆运动学分析[10,11]。正运动学分析根据机械臂的初始姿态求解末端姿态,而逆运动学分析则根据机械臂末端姿态求解关节变量信息。

本文在现有研究的基础上设计了一种辅助作业机器人,设计了机器人的运动控制系统,应用双目视觉实现机械臂的精确控制,实现了对开关柜的自动监控,减少了变电站的故障隐患,提高了变电站的自动化水平。

2 开关柜辅助作业机器人基本结构

本文设计的开关柜辅助作业机器人的本体结构如图1所示,辅助作业机器人主要包括移动车体和机械臂两大部分,采用分体式结构前者置于配电房内,后者可由操作人员随身携带。移动车体是机器人进行移动和新机采集的载体,主要包括机械系统、驱动电机、电机驱动控制系统、传感器模块、主控计算机、通讯装置等。主控计算机是机器人系统的控制核心。主控计算机根据激光雷达、惯性测量单元等传感器的信息,获取机器人所处的位置,根据目标指令对机器人运行路径进行规划,选择移动到指定开关柜的最优路线。传感器模块是机器人进行障碍感知和现场信息采集的关键设备。除了进行机器人定位导航的激光雷达和惯性测量单元,传感器模块还包括超声波传感器和温湿度传感器。超声波传感器采用时间测量原理,测量精度高,能够获取周围障碍物位置信息,辅助机器人避障。温湿度传感器可以实时获取配电开关柜的温度和湿度信息,更好的了解开关柜的环境。机械臂具有6个自由度,能够高效灵活的完成开关柜分合闸以及更换断路器等设备的工作,是机器人最主要的工作单元。机械臂通过逆运动学分析得到各个关节在相应时刻的转动量或者平移量,合理的规划机械臂的角位移曲线、角速度曲线以及角加速度曲线,有效地减少了机械臂在运动过程中的冲击和振动,使机械臂的工作寿命得以延长。

图1 开关柜辅助作业机器人的结构

3 机器人运动系统控制

机器人的转向驱动系统由转向电机、驱动电机、电机驱动器、减速箱、差速箱等设备组成。主控单元是机器人的控制核心,通过通讯模块接收工作指令,将远程指令转化为控制信号,驱动机器人移动,同时将本地位置信息上传到控制计算机,便于操作人员进行控制。电机控制器接收主控单元的运动指令,控制机器人运动和转向,通过闭环控制系统,实现机器人平滑、精确的转向和移动。电机采用直流无刷伺服电机,自带高分辨率码盘实现电机的精确控制,保证机器人的运动能力。机器人的爬坡坡度可达25°,越障高度可达120mm,最大行进速度可达2m/s以上,可满足配电房室内、室外、地下等多种地形要求。电机驱动模块通过工业级高速总线进行信号传输,并自带低压、高压、电流、温度、通讯等诊断及保护功能,同时FOC算法驱动各自电机使加速平稳、运动平滑。驱动模块通过导热硅胶安装于大铝板之上,并通过空气对流等散热措施,以充分发挥出驱动模块大功率驱动的良好性能,保证机器人四驱底盘的驱动能力以适应各种路况。 机器人轮胎采用高耐磨、高弹性的实心橡胶轮胎,最大限度地保证了轮胎的耐刺性,增加机器人的使用率和工作效率,并通过合理的安装结构设计,保证轮胎具有较好的使用性能,从而适应草地、电缆槽盖板、水泥路及碎石路等不同路况。机器人的底盘结构如图2所示。

图2 机器人底盘结构

开关柜辅助作业机器人的工作环境空间狭小、障碍物多、区域形状复杂,这增加了机器人循迹和避障的难度。对于这种复杂环境下的导航,本文采用了多种传感器结合的方式对机器人进行无轨化导航。机器人采用激光雷达、惯性测量单元、超声波传感器等多种传感器的结合的方式获取机器人的精确位置,并根据移动目标的位置和内置地图规划机器人的移动路线,自主行走到目标位置。机器人进入工作区域后通过搭载的激光雷达和超声波传感器采集周边障碍物的位置信息,通过同步地图构建与定位(SLAM)算法生成环境地图,在移动过程中,激光雷达实时扫描的地形与环境地形进行精确匹配,从而确定机器人精确位置。实际使用中,激光传感器常常受到周围环境的干扰,为了确保导航的精度和可靠性,采用惯性导航技术形成对激光雷达进行辅助。惯性测量单元包含陀螺仪和电子罗盘,惯性测量单元可以测量车体的加速度与角速度,并与编码器进行信息结合,得到精确的机器人运动参数,校正激光雷达的扫描结果。同时,超声波传感器可以通过超声波回声定位的方法获取周围障碍物的距离信息,进一步修正机器人的位置。

4 机器人双目视觉

机器人的双目视觉是保证机器人精准操作的基础,实现双目视觉的基本操作步骤为:图像采集和处理,摄像机标定,图像特征提取,图像匹配等。图像采集是获得摄像机不同位置的图像,摄像机的标定是在空间坐标系统建立坐标点与图片中点的对应关系,图像匹配是找出相同空间下两幅图片的对应关系,立体匹配是对图像特征值进行处理,建立图像特征之间的对应关系。

在实际工作中,摄像机接收到的画面常常伴随着环境噪声和机器噪声,造成图像的畸变。因此在对图像进行分析之前,需要进行适当处理消除图像中的噪声和畸变。图像的处理首先要进行图像的灰度化[14]。图像灰度化的处理有分量法、最大值法、平均值法、加权平均值法等等。本文采用加权平均值法对图像进行灰度化处理,绿色、红色、蓝色的权值分别取0.59、0.30、0.11。图像灰度化处理后要进行平滑和降噪,在尽量保存图像细节的情况下取出图像噪声,使图像变化更加平缓,减少灰度梯度,提高图像的平滑程度[15]。本文采用中值滤波法处理图像噪声。中值滤波法将像素点相邻区域内的灰度值按照从大到小的顺序排列,选取中间值为该点的灰度值。摄像机灰度化和平滑降噪处理后的数据进入控制器进行处理或者通过无线网络上给机器人。

表1 机器人左右标定结果

图3 外部参数标定结果

图4 机械臂工作范围

标定是实现机器人双目视觉的重要步骤。本文采用Z Zhang标定法对机器人的摄像头进行标定[16,17]。借助Matlab Calibration Toolbox工具箱完成算法,选取10个点作为标定点,尽量使标定点均匀分布在图像中,主点参数设置为图像中心点参数,对于算法内部参数标定结果的优化,使用Levenberg-Marquardt梯度下降算法。在标定过程中,按照先标定摄像机内部参数后标定外部参数的原则,如果不确定性不满足数据要求时需要重新进行标定,直到标定的精度满足要求。机器人左右摄像头标定结果如表1所示,外部参数标定结果如图3所示。

从摄像机内部和外部参数的标定结果可以发现摄像头的旋转基本为零,两台摄像机光心距离约为60mm,说明摄像机光轴平行放置,双目摄像机标定结果可靠。

5 机器人机械臂控制

舵机是机械臂的动力核心,机械臂在运动和操作过程中,机械臂底部的关节应力较大,需要选用大扭力的数齿轮舵机,机械臂尖端的应力较小,可以选用普通舵机。对于机械臂的运动建模,本文采用正运动学建模的方法,借助Matlab Robotics Toolbox工具箱中的link函数分析机械臂的运动过程,根据机械臂的组成结构和舵机的工作能力,可以求出每个机械关节的运动范围,在运行范围内进行求解,可以得到整个机械臂运动的空间范围,从而分析机械臂的运行轨迹。Matlab仿真得到的机械臂工作范围如图4所示。

机械臂在工作过程中,根据目标位置和任务的不同需要对机械臂的运动路径进行规划[18]。机械臂的路径规划是在满足机械臂几何约束和运动约束的条件下设计机械臂起始位姿到目的位姿的路径。本文采用笛卡尔空间中进行轨迹规划的方法,用解析函数描述机械臂的最优路径,经过计算在笛卡尔坐标系统选取近似的优化路径。该方法对于路径的描述在笛卡尔坐标系中进行,但是机械臂关节运动则是在机械臂坐标系中进行描述,因此需要对两个坐标系进行坐标变换。采用直线插补算法对起止点之间的路径进行规划,假设起始点和目标点之间的坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2),则两点之间的距离为,假设插补次数为N,可以计算出插补量为进而可以求得插补点的坐标(xi,yi,zi),通过坐标变换可以求得空间中的点相对于机械臂的坐标,通过正运动学分析得到不同情况下的机械臂关节角度,从而求出各点对应的加速度和角加速度,根据加速度的值控制电机运动。

6 结束语

配电开关柜辅助作业机器人能够利用传感器和机械臂实时采集开关柜的运行状态数据,对开关柜进行状态监控,通过双目视觉对开关对进行带电作业,及时发现设备的安全隐患,为高压开关柜的设备维护和故障检测、抢修提供了有力工具,极大提高了设备安全稳定运行的能力。在开关柜出现故障时,代替工作人员进行危险作业,保障了电力职工的生命安全。当然,该机器人的设计上还有很多值得改善的地方。机器人采用了传统的无线遥控方式对机器人的运动路径和机械臂操作进行控制,更进一步地可以利用机器人的摄像头和超声波传感器等设备自动定位机器人的位置,实现机器人的自动循迹和作业,提高机器人的自动化水平。